Автоматические промышленные газоанализаторы инфракрасного поглощения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА Факультет Инженерной механики Кафедра Автоматизации технологических процессов КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

На тему: «Автоматические промышленные газоанализаторы инфракрасного поглощения»

Руководитель Доцент Салащенко В.А.

Студентка Беликова В.Д.

Москва 2013

• Введение
• 1. Классификация методов измерения, анализ влияния факторов на измерение
• 2. Оптические газоанализаторы
• 3. Теоретические основы метода
• 4. Измерительные схемы газоанализаторов и их основные узлы
• 5. Источники инфракрасного излучения
• 6. Рабочие и фильтровые кюветы (камеры)
• 7. Оптико-акустические приемники излучения
• 8. Автоматический газоанализатор ОА2109
• 9. Неразрушающие методы и приборы
• 10. Нормативные документы
• 11. Методы испытаний
• 12. Статистические характеристики приборов
• 13. Динамические характеристики приборов
• 14. Автоматизация процессов управления испытаниями и обработки результатов
• 15. Программа калибровки
• Заключение
• Список литературы

Во многих отраслях техники газы играют существенную роль — в теплоэнергетике, металлургических, нефтяных, газовых, гидрогенизационных производствах, в производствах синтеза азота и технике безопасности используются разнообразные газовые анализы. Большие успехи синтетической химии и перспективы ее развития оказались прочной основой для организации разнообразных промышленных производств. Значение синтетической химии возросло, когда на ее основе возникло производство продукции массового потребления. Для новой отрасли промышленности понадобилась сырьевая база, которой оказались воздух, природный, нефтяные, коксовый и другие газы. Новые измерения приобрели настолько важное значение, что в течение последних 50 лет возросла промышленность аналитического приборостроения. В классической химии распространено понятие анализа вещества — совокупности процессов и процедур, которые в определенной последовательности осуществляются химиком-аналитиком и в результате которых выясняется количественный и качественный составы взятой пробы. Аналитические весы и различные измерители объемов были главными инструментами химика-аналитика. С развитием техники требования к анализам существенно изменились. Требуются измерительные средства, которые бы давали быстро точные сведения о качестве продукции или в состоянии перерабатываемого сырья и передавали их ответы в виде электрических сигналов на счетно-решающие или регулирующие устройства.

Аналитическое приборостроение шагнуло далеко вперед с развитием нового направления, основанного на использовании связей между составом вещества и его физическими или физико-химическими свойствами. современные газоанализаторы построены на принципах использования таких связей и представляют собой автоматические или полуавтоматические приборы.

1. Классификация методов измерения, анализ влияния факторов на измерение Средства измерений, предназначенные для количественного определения состава газа, называются газоанализаторами и газовыми хроматографами. Эти технические средства в зависимости их назначения подразделяются на переносные и автоматические.

Переносные газоанализаторы и хроматографы применяются в лабораторных условиях для количественного определения состава газа при выполнении исследовательских работ, а также при специальных обследованиях, испытаниях и наладке различных промышленных теплотехнических установок (парогенераторов, печей и др.). Приборы этого типа широко используются для проверки автоматических газоанализаторов.

Автоматические газоанализаторы, предназначенные для непрерывного автоматического измерения объемного процентного содержания одного определяемого компонента в газовой смеси, широко применяют в различных отраслях промышленности, в частности энергетической. Современные автоматические газоанализаторы позволяют определять содержание в газовой смеси двуокиси углерода (СО2), кислорода (О2), окиси углерода и водорода (СО -± Н2), СО, Н2, метана (СН4) и других газов. Автоматические газоанализаторы широко применяют для контроля процесса горения в топочных устройствах парогенераторов, печей и других агрегатов, для анализа технологических газовых смесей, для определения содержания водорода в системах водородного охлаждения обмоток турбогенераторов и т. д.

Газоанализаторы в зависимости от используемых физико-химических методов измерений классифицируются на следующие группы:

— тепловые,

— термохимические,

— термомагнитные,

— объемно-манометрические,

— фотокалометрические,

— оптико-акустические,

— спектральные,

— хромотографические и другие.

Наибольшее распространение получил термохимический метод измерений, заключающийся в том, что, благодаря известному свойству некоторых металлов и оксидов ускорять реакцию окисления горючих газов и паров на своей поверхности, удается выделить газы и пары путем их каталитического сжигания. При этом повышение температуры в зоне каталитически активного чувствительного элемента при горении на нем горючего газа или пара измеряется электронно-мостовыми схемами. На термохимическом методе измерений базируются серийно выпускаемые принципиально и конструктивно различные группы газоанализаторов.

В газоанализаторах первой группы горение происходит на каталитически активной платиновой нити, являющейся одновременно термочувствительным элементом. Эти приборы отличаются несложностью настройки и быстротой срабатывания. Их недостатком является сравнительно низкая точность измерений. Ко второй группе относятся приборы, в которых реакция протекает на насыпном катализаторе, а полученный тепловой эффект, сопровождающий реакцию, измеряется специальным термочувствительным элементом. В сигнализаторах третьей группы реакция протекает на твердых носителях, пропитанных каталитически активным раствором, а полезный тепловой эффект измеряется специальным термочувствительным элементом. По принципу действия они могут быть разделены на три основных группы.

1. Приборы, действие которых основано на физических методах анализа, включающих вспомогательные химические реакции. При помощи таких газоанализаторов определяют изменение объёма или давления газовой смеси в результате химических реакций её отдельных компонентов.

2. Приборы, действие которых основано на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы. Термохимические основаны на измерении теплового эффекта реакции каталитического окисления (горения) газа. Электрохимические позволяют определять концентрацию газа в смеси по значению электрической проводимости электролита, поглотившего этот газ. Фотоколориметрические основаны на изменении цвета определённых веществ, при их реакции с анализируемым компонентом газовой смеси.

3. Приборы, действие которых основано на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, термомагнитные, оптические и др.). Термокондуктометрические основаны на измерении теплопроводности газов. Термомагнитные газоанализаторы применяют главным образом для определения концентрации кислорода, обладающего большой магнитной восприимчивостью. Оптические газоанализаторы основаны на измерении оптической плотности, спектров поглощения или спектров испускания газовой смеси.

Классификация по конструктивному исполнению. Как и большинство контрольно-измерительных приборов, приборы газового анализа могут иметь разные массогабаритные показатели и режимы работы. Этими свойствами и обуславливается разделение приборов по исполнению. Тяжелые и громоздкие газоанализаторы, предназначенные, как правило, для длительной непрерывной работы, являются стационарными. Менее габаритные изделия, которые могут быть без особого труда перемещены с одного объекта на другой и достаточно просто запущены в работу — переносные. Совсем маленькие и легкие — портативные.

Газоанализаторы могут быть сконструированы для анализа сразу нескольких компонентов. Причем анализ может производиться как одновременно по всем компонентам, так и поочередно, в зависимости от конструктивных особенностей прибора.

2. Оптические газоанализаторы Оптические газоанализаторы основаны на использовании зависимости изменения того или иного оптического свойства анализируемой газовой смеси от изменения концентрации измеряемого компонента. В оптических газоанализаторах используются такие оптические свойства, как спектральное поглощение, оптическая плотность, показатель преломления, спектральное излучение газовой смеси и др.

В соответствии с оптическим свойством, положенным в основу принципа работы прибора, оптические газоанализаторы подразделяются на следующие основные три группы (ГОСТ 13 320−67):

— Абсорбционные— основанные на поглощений лучистой энергии в инфракрасной области спектра (в том числе оптико-акустические), ультрафиолетовой и видимой областях спектра (фотоколориметрические жидкостные и ленточные).

— Интерферометрические — основанные на использовании явления смещения интерференционных полос вследствие изменения оптической плотности газовой среды на пути одного из двух когерентных лучей.

— Эмиссионные— основанные на излучении лучистой энергии, например на измерении интенсивности спектральных линий излучения компонента, зависящей от его концентрации в анализируемой газовой смеси. Этот метод, предложенный С. Эфришем, принято называть методом эмиссионного спектрального анализа газовой смеси.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, получили широкое применение в различных отраслях промышленности и применяются для определения концентрации окиси углерода (СО), двуокиси углерода (СО2), метана (СН4). аммиака (CН8) в сложных газовых смесях, а также и других газов. Это объясняется тем, что в инфракрасной области спектра газы имеют весьма интенсивные и отличительные друг от друга по положению в спектре полосы поглощения.

Газоанализаторы, основанные на поглощении ультрафиолетовых лучей, применяются в химической, нефтяной и пищевой промышленности. Благодаря высокой чувствительности они широко используются для определения токсических и взрывоопасных концентраций различных газов в воздухе промышленных предприятий. Газоанализаторы этого типа позволяют определять содержание паров ртути, хлора и других газов и паров как в воздушной среде, так и в технологических газовых смесях.

Газоанализаторы, основанные на поглощении инфракрасных лучей, называются оптико-акустическими. Известно, что способностью поглощая инфракрасные лучи обладают все газы, которые содержат в молекуле два и более различных атомов, например окись углерода (СO), двуокись углерода (СО2), метан (СН4). Способность к поглощению инфракрасных лучей не проявляется у таких газов, как кислород (О3), азот (N), водород (Н2), одноатомные газы — гелий, неон, аргон, криптой, ксенон, радон, которые имеют один тип атомов.

3. Теоретические основы метода Газоанализаторы инфракрасного поглощения относятся к группе абсорбционных оптических анализаторов. Их принцип действия основан на измерении степени поглощения энергии электромагнитного излучения, проходящего через слой анализируемого вещества. Теоретической основой абсорбционного спектрального метода анализа является закон Ламберта — Бера, согласно которому поглощение энергии потока монохроматического излучения с длиной волны ?, проходящего через слой вещества толщиной l с концентрацией в нем поглощающего компонента с, описывается следующим уравнением:

I=I₀*exp (-k_? *l*c),

где I₀ и Iмощности потоков излучения соответственно на входе в слой и выходе из него;

k_? — коэффициент поглощения, который зависит от природы поглощающего компонента и длины волны излучений.

При постоянных значениях параметров I₀, k_? и l, а также при постоянных температуре и давлении величина I однозначно определяется концентрацией поглощающего компонента.

Обычно способность вещества поглощать излучения (в %) характеризуется величиной пропускания:

ф_?= I *100/ I₀

или связанной с ней величиной поглощения П_?=100 — ф_?,

а также оптической плотностью

D = lg (I₀/ I) = 0,434 k_? *l*c

Значения ф_? или П_? для каждого вещества как функции от? при некоторых постоянных значениях l и с называются спектром поглощения. Участники спектра с наибольшими значениями П называются полосами поглощения. Спектр поглощения каждого вещества специфичен, однако полосы поглощения различных веществ могут совпадать, как это имеется у метана и ацетилена при? = 7,5 мкм. Если в анализируемом веществе одновременно присутствуют несколько компонентов, способных поглощать излучение с одной и той же длиной волны, то зависимость приобретает вид:

I = I_o*exp (-l*Уk_vjc_j),

где n — общее число поглощающих компонентов в анализируемой смеси; k_j и c_j — коэффициент поглощения и концентрация j-го поглощающего компонента.

В общем случае данный метод анализа является неизбирательным, так как результат измерения зависит от изменения концентраций неопределяемых компонентов, полосы поглощения которых частично совпадают с определяемым компонентом. Если полосы поглощения определяемого и какого-либо неопределяемого компонентов полностью совпадают, то применять абсорбционный спектральный метод невозможности.

Абсорбционный спектральный метод анализа наиболее эффективно применять в тех случаях, когда удается выбрать длину волны, на которой полосы поглощения определяемого и неопределяемых компонентов практически не перекрываются. Такой случай имеется, например, при измерении концентрации СО в присутствии СН₄ и С₂Н₂ на длине волны 4,5 мкм. Если же полосы поглощения перекрываются частично, то некоторое увеличение избирательности может быть достигнуто рациональным выбором схемы прибора и ее параметров.

Закон Ламберта — Бера справедлив только для монохроматического излучения, однако в автоматических анализаторах производственного назначения измерения обычно производят с использованием потока излучения, содержащего некоторый спектр длин волн от ?_н и ?_к. В этом случае формулы остаются справедливыми, если в них использовать значения коэффициентов поглощения, усредненные в диапазоне ?_н ~ ?_к.

? = (?k_v(v)dv)/(v_k — v_н)

Способностью поглощать излучение в инфракрасной области спектра обладают только газы, молекулы которых содержат не меньше двух различных атомов. Поэтому газоанализаторы инфракрасного поглощения не пригодны для измерения концентрации таких газов, как кислород, азот, водород, хлор, аргон, гелий и др.

4. Измерительные схемы газоанализаторов и их основные узлы В автоматических газоанализаторах инфракрасного поглощения, серийно выпускаемых промышленностью, применяют три варианта дифференциальных (двухканальных) измерительных схем. Простейшей является схема непосредственного измерения. Потоки инфракрасной радиации от излучателей, периодически прерываемые обтюратором, поступают в рабочий и сравнительный оптические каналы.

В рабочем канале находятся рабочая кювета, через которую проходит поток анализируемого газа, и герметично закрытая фильтровая кювета. В сравнительном канале расположены сравнительная и фильтровая кюветы. Состав газа в сравнительной кювете соответствует среднему содержанию неопределяемых компонентов в анализируемом газе; фильтровые кюветы заполнены теми неопределяемыми компонентами анализируемого газа, полосы поглощения которых частично перекрываются с полосами поглощения определяемого компонента. Благодаря этому уменьшается влияние изменений концентрации неопределенных компонентов на результат измерений. Мощность потока излучения на выходе рабочего оптического канала изменяется в зависимости от концентрации определяемого компонента в анализируемом газе, а мощность потока излучения по выходе сравнительного канала остается постоянной. Их разность преобразуется оптико-акустическим преобразователем в электрический сигнал, который является мерой концентрации определяемого компонента. Недостатки данной измерительной схемы — сравнительно низкая точность и нелинейная градуировочная характеристика.

Точность измерений возрастает при использовании компенсационных измерительных схем. Мощность потока излучения на выходе сравнительного канала может изменяться в зависимости от положения передвижного отражателя в компенсационной кювете. Так, при перемещении отражателя вправо мощность потока излучения возрастает вследствие уменьшения толщины просвечиваемого слоя газа в компенсационной кювете, которая заполнена определяемым компонентом анализируемого газа в компенсационной кювете, которая заполнена определяемым компонентом анализируемого газа. Если мощности потоков излучения на выходе из рабочего и сравнительного оптических каналов различны, то оптико-акустический преобразователь вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный их разности. Он усиливается фазочувствительным усилителем и приводит во вращение реверсивный электродвигатель привода передвижного отражателя. Последний перемещается в направлении уменьшения разности мощностей потоков излучения на выходе из обоих каналов. Положение передвижного отражателя при равновесии измерительной схемы является мерой концентрации определяемого компонента и регистрируется электронным измерительным прибором.

При другом варианте компенсационной измерительной схемы с так называемой оптической компенсацией ее уравновешивание осуществляется непрозрачным телом (например, заслонкой), которое изменяет мощность потока излучения в сравнительном канале.

5. Источники инфракрасного излучения Наиболее распространенный источник инфракрасного излучения в газоанализаторах — открытая нихромовая спираль, нагреваемая электрическим током до температуры 700−1000^оС. Ее спектр излучения охватывает в основном диапазон длин волн от 1 до 6 мкм, а максимум излучения соответствует 2,5 — 3 мкм. Для создания параллельного потока излучения применяют параболические или сферические зеркала, в фокусе которых устанавливают излучатель. Линзовую оптику в газоанализаторах инфракрасного поглощения не применяют, так как изготовление линз из оптических материалов, прозрачных в указанном выше диапазоне длин волн, представляет значительные трудности. К таким материалам относятся некоторые природные и искусственные кристаллические вещества — слюда, кварц, фтористый кальций (флюорит), синтетический корунд и другие. Из них изготовляют плоские оптические детали — окна различных узлов газоанализатора.

6. Рабочие и фильтровые кюветы (камеры) Оптический канал (световод) газоанализатора инфракрасного поглощения представляет собой трубку с тщательно обработанной внутренней поверхностью, которая должна обладать высокой отражающей способностью. Для приборов производственного назначения световод изготовляют из металла, внутреннюю поверхность которого никелируют или хромируют и затем полируют.

Кюветы представляют собой участки световода, замкнутые с торцов окнами из материала, прозрачного для инфракрасного излучения. Окна кювет промышленных газоанализаторов часто изготовляют из полированного синтетического корунда, который обладает высокой механической прочностью, негигроскопичен, устойчив к воздействию химически агрессивных газов и позволяет осуществить надежное герметичное соединение окна с корпусом кюветы.

Кюветы делятся на рабочие, сравнительные и фильтровые. Через рабочую кювету в процессе измерений проходит анализируемая газовая смесь. Ее основным параметром является длина l хода луча, которая у одноходовых кювет совпадает с их геометрической длиной. Величину l выбирают исходя из требуемой чувствительности измерений в зависимости от коэффициента поглощения и концентрации определяемого компонента. При измерении больших концентраций хорошо поглощающих газов длина кюветы может быть равна 0,5−1 мм, достигая 200 мм при величине l при заданных значениях k_v и с определяют оптическую плотность слоя анализируемого газа. При малых значениях D зависимость поглощения от концентрации близка к линейной. Если объем рабочей кюветы достаточно велик, то он оказывает влияние на динамическую характеристику газоанализатора. В этом случае постоянную времени прибора можно ориентировочно оценить как отношение объема рабочей кюветы к расходу через нее пробы анализируемого газа. Конструкция рабочей кюветы должна быть удобной для периодической очистки окон от загрязнений, вносимых в камеру анализируемым газом.

Фильтровые кюветы, выполняющие функции газовых фильтров, применяют в том случае, если полосы поглощения определяемого и каких-либо неопределяемых компонентов частично перекрываются. Фильтровые кюветы заполняются этими неопределяемыми компонентами. Длину фильтровой кюветы и концентрацию заполняющих его газов выбирают исходя из условия практически полного поглощения участков спектра, соответствующих линиям поглощения неопределяемых компонентов. Конструкция фильтровой кюветы позволяет обеспечить надежную герметизацию ее полости в течение длительного времени.

7. Оптико-акустические приемники излучения Во всех отечественных газоанализаторах инфракрасного поглощения преобразование интенсивности потока излучения на выходе оптического канала в электрический сигнал осуществляется избирательными оптико-акустическими преобразователями. Оптико-акустический анализ заключается в пульсации давления газа, находящегося в замкнутом объеме, при облучении его модулированным потоком инфракрасного излучения. Оптико-акустический эффект обусловлен поглощением энергии излучения, которая переходит в тепловую, вызывая нагрев газа в замкнутом объеме. Изменения давления и температуры имеют частоту модуляции падающего потока излучения, а их амплитуда зависит от амплитуды колебаний энергии потока излучения. Колебания давления воспринимаются конденсаторным микрофоном или другим устройством, которое преобразует их в электрический сигнал.

Избирательность оптико-акустического преобразователя обеспечивается заполнением его определяемым компонентом анализируемой смеси благодаря этому в преобразователе поглощается главным образом та часть спектра падающего потока излучения, которая соответствует линиям поглощения определяемого компонента.

В двухканальных приборах применяют дифференциальные оптико-акустические преобразователи с конденсаторным микрофоном. Потоки инфракрасного излучения из рабочего и сравнительного оптических каналов попадают через окна в лучеприемные камеры, где возникает оптико-акустических эффект.

Оптимальная глубина лучеприемной камеры, при которой оптико-акустический преобразователь обладает максимальной чувствительностью, определяется формулой:

l = k * v (л/(c_v*f)),

где k — эмпирический коэффициент; f — частота модуляции потока излучения; c_v и f — соответственно удельные теплоемкость и теплопроводность газа при постоянном объеме.

Концентрацию определяемого компонента в лучеприемной камере, при которой достигается максимальная чувствительность преобразователя, рассчитывают по следующей формуле:

С_опт?1,8/(k_v*l_опт)

Лучеприемные камеры соединены каналами с мембранной полостью, которая разделена на две части гибкой мембраной. Перепад давления в лучеприемных камерах, определяемый разностью мощностей потоков излучения на выходе рабочего и сравнительного оптических каналов, преобразуется в прогиб мембраны, которая служит подвижным электродом конденсатора. Мембрана, изготовленная из алюминиевой фольги или фторопластовой пленки с фольгированным центром, имеет толщину 5−7 мкм и рабочий диаметр 20−30 мм. При таких параметрах ее прогиб под действием максимального сигнала составляет 1 мкм, чему соответствует изменение емкости конденсатора около 0,3 пФ. Пороговая чувствительность оптико-акустического преобразователя эквивалентна изменению потока радиации 10^-9 Вт.

Конденсаторный микрофон, который используется во всех отечественных серийно выпускаемых газоанализаторах, обладает большим внутренним сопротивлением до 10⁴ Ом. Согласование его с входным сопротивлением электронного усилителя осуществляется с помощью специального входного электрометрического каскада — катодного повторителя. Необходимым условием возникновения оптико-акустического эффекта является модулирование потока излучения. Оно осуществляется с помощью обтюратора, который представляет собой диск с равномерно расположенными отверстиями, вращающийся с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной осям оптических каналов. При вращении диск периодически закрывает и открывает оптические каналы. Обычно применяемая частота модуляции составляет 5−6 Гц. Обтюратор приводится во вращение синхронным электродвигателем.

8. Автоматический газоанализатор ОА2109

Газоанализатор ОА2109 предназначен для измерения концентрации окиси углерода в многокомпонентных газовых смесях.

Таблица 1. Параметры анализируемой газовой смеси:

В комплект газоанализатора входят: первичный преобразователь, стабилизатор напряжения и вторичный прибор.

В первичном преобразователе газоанализатора использована дифференциальная измерительная схема с газовой компенсацией.

Принципиальная электрическая схема первичного преобразователя включает катодный повторитель на лампе Л1, усилитель напряжения на лампах Л2 и Л3, синхронный детектор на поляризованном реле РП, усилитель мощности на лампах Л7 и Л8, реверсивный электродвигатель РД и источник питания, который состоит из силового трансформатора Тр и стабилизированного выпрямителя на лампах Л4, Л5, Л6 и Л9.

Устройство и принцип действия Поляризующее напряжение с сопротивления R3 подается на конденсаторный микрофон МК. Переменное напряжение частотой 5 Гц, пропорциональное амплитуде колебаний мембраны оптико-акустического преобразователя, с высокоомного сопротивления R1 поступает на сетку лампы Л1 катодного повторителя и далее через штепсельный разъем ШП-ВШ на усилитель напряжения. С сопротивления нагрузки последнего каскада усилителя переменное напряжение подается на синхронный детектор СД. Переключением реле РП управляет фотосопротивление ФС, которое освещается специальной лампой ЛН. Поток света от лампы прерывается обтюратором синхронно с потоками радиации, поступающими в оптические каналы от излучателей. В зависимости от фазы выходного напряжения усилителя на сопротивлениях нагрузки синхронного детектора появляется выпрямленное напряжение соответствующей полярности, которое подается на сетки ламп Л7 и Л8 усилителя мощности. При этом реверсивный двигатель вращается в определенную сторону, перемещая подвижный отражатель ПО в компенсационной кювете и движок реохорда R_p. Перемещение движка R_p регистрируется вторичным прибором ВП из комплекта газоанализатора.

Монтаж электрической линии выполняют проводом с сечением жил не менее 1 мм². Для измерительной линии между первичным преобразователем и вторичным прибором рекомендуется применять экранированный кабель или прокладку линии в металлических заземленных трубах; измерительные и силовые линии надо прокладывать раздельно. Монтаж газовой системы следует вести трубами размером 8*1 мм из стали Х18Н9Т. Поверку показаний газоанализатора производят по контрольной газовой смеси.

В комплект поставки входят: первичный преобразователь, стабилизатор напряжения, вторичный прибор — электронный мост КСМ-2, баллон с контрольной газовой смесью, комплект ЗИП и техническая документация. Вспомогательные устройства поставляют в зависимости от условий эксплуатации по данным опросного листа.

9. Неразрушающие методы и приборы

Методы неразрушающего контроля основываются на наблюдении, регистрации и анализе результатов взаимодействия физических полей (излучений) или веществ с объектом контроля, причем характер этого взаимодействия зависит от химического состава, строения, состояния структуры контролируемого объекта и другое.

Все методы неразрушающего контроля являются косвенными методами.

Настройка, калибровка должны осуществляться по контрольным образцам, имитирующим измеряемый физический параметр. Каждый отдельно взятый метод НК решает ограниченный круг задач технического контроля.

Выбор оптимального метода неразрушающего контроля следует осуществлять исходя из его: реальных особенностей; физических основ; степени разработки; области применения; чувствительности; разрешающей способности; технических условий отбраковки; технических характеристик аппаратуры.

Измерительная система средств неразрушающего контроля должна быть скомплектована из прибора, преобразователя и контрольного образца.

Важной характеристикой любых методов неразрушающего контроля является их чувствительность. Чувствительность — выявление наименьшего по размерам дефекта; зависит от особенностей метода неразрушающего контроля, условий проведения контроля, материала изделий. Удовлетворительная чувствительность для выявления одних дефектов может быть совершенно непригодной для выявления дефектов другого характера.

Чувствительность методов неразрушающего контроля к выявлению одного и того же по характеру дефекта различна. При определении предельно допустимой погрешности выбранного метода неразрушающего контроля следует обязательно учитывать дополнительные погрешности, возникающие от влияющих факторов:

*минимального радиуса кривизны вогнутой и выпуклой поверхностей;

*шероховатости контролируемой поверхности;

*структуры материала;

*геометрических размеров зоны контроля;

*других влияющих факторов указанных в инструкциях для конкретных приборов.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу методов неразрушающего контроля, они подразделяются на девять основных видов: акустический, магнитный, вихретоковый, проникающими веществами, радиоволновый, радиационный, оптический, тепловой и электрический.

Сопоставление методов неразрушающего контроля между собой нужно проводить с учетом следующих обстоятельств. Во-первых, многие из описанные выше методов НК применимы для контроля только определенных типов материалов:

*радиоволновой — для неметаллических, плохо проводящих ток материалов;

*вихретоковый — для хороших проводников электрического тока;

*магнитный — для ферромагнетиков;

*акустический — для материалов, обладающих небольшим затуханием звуковых волн соответствующей частоты;

*оптический — хорош для объемного контроля прозрачных в световом диапазоне ОК. Во-вторых, следует иметь в виду различия в модификации методов в зависимости от их предназначения: измерение геометрических размеров, исследование химического состава и структуры, поиск объемных или поверхностных дефектов и другое. Поэтому решение об использовании того или иного метода НК необходимо принимать с учетом всех факторов, действующих при производстве или исследовании объектов контроля.

10. Нормативные документы

ГОСТ 13 320–81 «Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия» распространяется на автоматические промышленные газоанализаторы, том числе газоаналитические преобразователи и газоаналитические приборы Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), предназначенных для измерения содержания одного или нескольких компонентов в газовой смеси. Изготавливаемые газоанализаторы по техническим и метрологическим характеристикам должны соответствовать требованиям настоящего стандарта. В данном документе указаны методы испытаний (проверка функциональности) и требования по маркировке газоанализаторов.

Сертификация оборудования. Технические устройства, в том числе иностранного производства, применяемые на опасном производственном объекте, подлежат сертификации на соответствие требованиям промышленной безопасности в установленном законодательством Российской Федерации порядке. Перечень технических устройств, применяемых на опасных производственных объектах и подлежащих сертификации, разрабатывается и утверждается в порядке, определяемом Правительством РФ (ст. 7 Федерального закона).

Сертификация технических устройств, для опасных производственных объектов служит снижению риска аварийных ситуаций в связи с возможностью использования некачественного оборудования. Сертификацию технических устройств, применяемых на опасных производственных объектах, проводят организации аккредитованные Госгортехнадзором, специально уполномоченные в области промышленной безопасности. Правила проведения сертификации устанавливаются Госгортехнадзором по стандартизации, метрологии и сертификации совместно с федеральным органом исполнительной власти, специально уполномоченным в области промышленной безопасности. Технические устройства, применяемые на опасном производственном объекте, в процессе эксплуатации подлежат экспертизе промышленной безопасности в установленном порядке.

11. Методы испытаний

Согласно международным требованиям, в приборах для атмосферного мониторинга должны использоваться референтные либо эквивалентные методы измерений. Референтные методы — методы, принятые в качестве эталонных. Именно они позволяют получить наиболее корректные результаты. Эквивалентные методы используют для атмосферного мониторинга тех или иных газов с определенными оговорками и дополнительными требованиями.

Каждый газ поглощает инфракрасное излучение в своих, свойственных ему участках спектра, что связано с частотами собственных колебаний1 атомов или ионов и отдельных структурных групп в молекуле, а также с вращением молекул. Наличие у газов колебательно-вращательных спектров поглощения объясняется тем, что атомы и ионы, образующие молекулы, могут колебаться относительно друг друга с различными частотами, а вся молекула может вращаться с различными угловыми скоростями.

Способностью поглощать инфракрасную радиацию обладают газы, молекулы которых состоят из двух или большего числа различных атомов или ионов, т. е. все двухатомные или многоатомные газы.

В основу процесса измерения концентрации положен принцип инфракрасного поглощения, что позволяет получить высокую избирательность и малое время отклика при проведении измерений. Благодаря тщательной разработке электронной и оптических схем прибора, ОА2109 позволяет проводить стабильные, точные измерения концентрации СО.

Оптико-акустические газоанализаторы с газовой компенсацией, носящей спектральный характер. Оптико-акустический эффект состоит в следующем: при воздействии на газ (находящийся в замкнутом объеме) прерывистым потоком инфракрасной радиации происходит пульсация температуры, а следовательно, и давления этого газа. Эта пульсация, воздействуя на микрофон, вызывает «звучание» газа.

Особенность этой схемы заключается в том, что поглощение газом инфракрасной радиации в рабочей камере правого оптического канала компенсируется поглощением радиации определяемым компонентом, которым заполнена специальная компенсационная камера, помещенная в левом, сравнительном канале газоанализатора. Толщина слоя газа в компенсационной камере изменяется за счет перемещения в ней отражающего поршня, которое осуществляется через редуктор реверсивным двигателем, управляемым сигналом от усилителя. Таким образом, каждому значению концентрации измеряемого, компонента в газовой смеси соответствует определенная длина слоя этого же компонента в компенсационной камере, вследствие чего поглощение инфракрасной радиации в обоих каналах носит одинаковый спектрально-избирательный характер.

Инфракрасное излучение от двух источников направляется по двум каналам (рабочему и сравнительному), проходя при этом через обтюратор, который шесть раз в секунду прерывает оба потока одновременно. Прерывистые потоки излучения проходят через фильтровые камеры, заполненные обычно данной смесью газа, из которой исключен анализируемый компонент. Наличие фильтровых камер обеспечивает уменьшение погрешности за счет возможного частичного наложения спектров поглощения анализируемой и не анализируемой составляющей газовой смеси. Далее поток радиации, направленный по рабочему каналу, проходит рабочую камеру, через которую непрерывно пропускается анализируемая газовая смесь. Анализируемая составляющая газа поглощает часть энергии, определяемой поглощающей способностью этого газа. Остаток лучистой энергии после отражения от пластины поступает в правую область луче приемника. Лучистый поток, проходящий по сравнительному каналу, после фильтровой камеры попадает в компенсационную камеру. Компенсационная камера заполнена анализируемой составляющей смеси. На поверхности этой камеры имеются окна из специального стекла (Li+F), свободно пропускающего инфракрасные лучи. Внутри компенсационной камеры имеется отражательное зеркало, которое направляет лучистый поток в левую область лучеприемника. Если в правую и левую области лучеприемника поступают различные по величине прерывистые потоки излучения, то конденсаторный микрофон, помещенный в луче приемнике, создает звуковой сигнал, который после усиления усилителем воздействует на реверсивный двигатель. Реверсивный двигатель с помощью редуктора перемещает отражательное зеркало до тех пор, пока поток сравнительного канала не уравняется с потоком, поступающим в луче приемник по рабочему каналу. При равенстве этих потоков звучание микрофона прекращается. Перемещение отражательного зеркала внутри уравнительной камеры вызывает изменение ее объема, т. е. изменение пути движения газа, что приводит к изменению поглощения лучистой энергии. Одновременно с редуктором перемещается движок реохорда вторичного прибора.

Сигнал, развиваемый ОА-приемником, зависящий от содержания газа, А в анализируемой смеси, компенсируется в сравнительном канале слоем газа, А известной концентрации САк, причем толщина этого слоя в момент, когда амплитуда сигнала ОА-приемника равна нулю, является однозначной мерой искомого содержания газа А. В том случае, если объем компенсационной кюветы отделен от окружающей среды гибкой стенкой, причем сброс газа из рабочей кюветы после анализа происходит в окружающую среду, то осуществляется частичная компенсация влияния температуры и давления окружающей среды на показания газоанализатора. Погрешность (?С/С)Р, Т, обусловленная одновременным изменением температуры Т на «?» Т и атмосферного давления Р на «?» Р, не превышает:

Чувствительность оптико-акустического газоанализатора зависит от чувствительности лучеприемника, оптимальной длины рабочей камеры и чувствительности измерительной схемы. Чувствительность лучеприемника увеличивается с уменьшением пассивных объемов (объемы, в которых происходит поглощение излучения) и не зависит в основном от длины лучеприемных цилиндров (часть лучеприемника, в которой происходит поглощение излучения) и концентрации заполняющего газа.

Концентрация газов, заполняющих лучеприемник, подбирается такой, чтобы обеспечить для каждого предела измерения максимальную чувствительность и равномерность шкалы.

Одновременное достижение максимальной чувствительности и равномерности шкалы в оптико-акустических газоанализаторах с оптической или электрической компенсацией неосуществимо и может быть выполнено только при схеме с газовой компенсацией.

Наиболее распространены газоанализаторы с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание которого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством механического модулятора поток излучения прерывается с определенной частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления — мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Другие компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Амплитуда пульсации давления в приемнике излучения — мера количества определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико — акустического газоанализатора, можно избирательно измерять содержание различных компонентов смесей.

Межкалибровочный интервал — 6 месяцев.

Межпроверочный интервал — 1 год.

Выбор метода и средств поверки зависит, как правило, от конкретного устройства и характеристик поверяемого газоанализатора.

Из существующих методов поверки газоанализаторов удобнее всего использовать метод поверки по стандартным образцам. В качестве стандартных образцов применяются газовые смеси известного состава — поверочные газовые смеси (ПГС). При поверке с применением ПГС сличают показания газоанализатора с паспортным значением концентрации измеряемого компонента в газовой смеси.

Вместо ПГС можно применять аттестованные имитаторы — физические эквиваленты. При методе физических эквивалентов вместо аттестованной газовой смеси с известной концентрацией измеряемого компонента используют имитатор — физический эквивалент того или иного физико-химического свойства анализируемой газовой смеси. Этот метод особенно важен при поверке газоанализаторов на особо токсичные и агрессивные газы и пары.

Поверку можно также проводить методом сличения с эталонным газоанализатором. При поверке с помощью эталонного газоанализатора сличают показания эталонного и рабочего прибора при измерении одной и той же газовой смеси, причем в качестве газовой смеси может использоваться и анализируемая среда. Этот метод мало распространен, так как отсутствуют переносные эталонные газоанализаторы.

газоанализатор калибровка кювет излучение

12. Статистические характеристики приборов

Для автоматических промышленных газоанализаторов нормируются следующие метрологические характеристики:

— диапазон измерений;

— основная погрешность;

— вариация выходного сигнала (показаний);

— изменение выходного сигнала (показаний) за регламентированный интервал времени;

— функция влияния или дополнительные погрешности, вызванные изменением влияющей величины в пределах рабочих условий;

— время установления выходных сигналов (показаний);

— чувствительность;

— цена деления шкалы (только для показывающих газоанализаторов).

Метрологические характеристики определяют структуру, конструкцию, технологию производства и характер эксплуатации измерительного преобразователя (ИП) и газоаналитического устройства в целом. К основным метрологическим характеристикам относятся погрешность и диапазон измерений ИП.

Под погрешностью ИП подразумевается отклонение выходного сигнала ИП от номинального значения, соответствующего истинному значению входной величины. Погрешности ИП подразделяют на основную и дополнительные, статические и динамические, систематические и случайные.

Основная погрешность определяется в нормальных условиях применения ИП, устанавливаемых в технической документации.

Дополнительные погрешности возникают при эксплуатации ИП в условиях, отличных от нормальных, при которых осуществляются градуировка и поверка. Подавляющее большинство ИП подвержены влиянию изменений температуры, давления, влажности окружающей среды, параметров питающих напряжений и газовых потоков

Статическая погрешность — это погрешность ИП при измерении величины, принимаемой за неизменную.

Динамическая погрешность возникает дополнительно при измерении переменной величины и обусловлена несоответствием реакции ИП на скорость изменения входного сигнала. Динамические погрешности определяются динамикой процессов в исследуемых газовых смесях, инерционностью чувствительных элементов (фотоприемников и т. п.), динамическими характеристиками измерительных механизмов и промежуточных преобразователей, инерционностью электронных и других схем.

Систематическая погрешность — это составляющая погрешности ИП, принимаемая постоянной или закономерно изменяющейся.

Случайная погрешность — это составляющая погрешности ИП, изменяющаяся случайным образом.

Суммарная погрешность измерений оценивается как суперпозиция случайной и систематической составляющей.

Источниками погрешности измерений являются несовершенство метода измерений, невозможность идеального изготовления и функционирования ИП, временная нестабильность параметров ИП, отклонение условий измерения от нормальных, неточности градуировочной зависимости, приготовления ПГС, измерения объема пробы, температуры и давления, индивидуальные особенности оператора.

Диапазон измерений представляет собой область изменения значений измеряемой величины (содержания измеряемого компонента), для которой нормированы допускаемые пределы погрешности ИП.

Отношение верхнего предела диапазона измерений к порогу чувствительности называется полным или динамическим диапазоном ИП.

Для газоаналитических преобразователей нормируется также статистическая характеристика преобразования, иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой. Она устанавливает зависимость y = f (x) информативного параметра «у» выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра «х» входного сигнала. Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Если статическая характеристика преобразования линейна, т. е. y = Kx, то коэффициент «К» характеризует чувствительность измерительного прибора (преобразователя). В противном случае чувствительность определяется как производная от статической характеристики.

Погрешность измерения, не более

По CO (диапазон измерений 20 — 200 мг/м³) — ± 20%

13. Динамические характеристики приборов

Динамическими называют такие характеристики измерительного преобразователя ИП, которые проявляются лишь при работе преобразователя в динамическом режиме, т. е. при преобразованиях переменных во времени величин. Динамические характеристики описывают свойства измерительного преобразователя при быстрых изменениях измеряемой величины.

Динамические характеристики нормируются путем задания номинального дифференциального уравнения или передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

К динамическим характеристикам измерительных преобразователей (ИП) следует отнести время установления показаний и время начала реагирования, которые определяются протеканием переходного процесса в ИП после подачи на него входного сигнала в виде скачка. Инерционность ИП характеризуется временем начала реагирования и временем установления показаний по определенному уровню. Время установления показаний по уровню — время, по истечении которого мгновенное значение выходного сигнала после скачкообразного изменения содержания определяемого компонента на его входе отличается от установившегося значения Uс не более, чем на 10%.

Время начала реагирования — это время от момента изменения содержания определяемого компонента на входе до момента достижения выходным сигналом определенного уровня. Время начала реагирования зависит от времени транспортирования пробы газа, инерционности чувствительных элементов, динамики процессов анализируемых газовых смесей.

Динамический диапазон — область входных величин, преобразуемая ИП без заметных искажений.

— временной режим работы — непрерывный;

— время прогрева газоанализатора до установления показаний (после включения в сеть) не менее 10 минут;

— время работы без технического обслуживания с применением внешних средств и без вмешательства оператора в течение 7 суток;

— время работы без проверки с помощью поверочной смеси 30 суток;

— средняя наработка на отказ, с учетом технического обслуживания, регламентированного настоящим ТО и РЭ, не менее 15 000 часов;

— значение установленной безотказной наработки не менее 10%, т. е. не менее 1500 часов (62,5 суток);

— полный средний срок службы газоанализатора — 6 лет;

— Предел допускаемого времени установления показаний не более:

для СО — 120 секунд (группа И-3 инерционная).

Время установления показаний для измерения СО должно быть не более 180с.

Режим работы: постоянный.

14. Автоматизация процессов управления испытаниями и обработки результатов

Газоанализатор содержит первый измерительный источник 1 инфракрасного поглощения, расположенный по ходу излучения кюветы 2, первый и третий оптический фильтры 3 и 4, расположенные соответственно перед измерительным и опорным фотоприемниками 5 и 6, второй — эталонный источник 7 инфракрасного поглощения установлен вне газовой кюветы 2 с фильтровыми камерами, соответственно и оптически с ним сопряжен, блок 10 обработки сигналов, первый вход которого соединен через первый разделительный усилитель 11 с выходом измерительного фотоприемника 5, а второй вход соединен через разделительный усилитель 12с выходом опорного фотоприемника 6, содержит последовательно соединенные коммутатор 13 входных импульсов, усилитель 14, аналого-цифровой преобразователь 15 и микроЭВМ 16, выход которой соединен с блоком 17 регистрации, первый управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом коммутатора 13, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами блока 10 обработки сигналов соответственно, второй управляющий выход микроЭВМ 16 соединен с управляющим входом схемы 18 управления токами источников электромагнитного излучения, второй вход которой соединен с выходом опорного фотоприемника 6, и одновременно с опорным резистором 19, второй вывод которого соединен с общим проводом прибора, первый и второй выходы схемы 18 управления подключены к источникам 1 и 7 электромагнитного излучения соответственно. Кроме того, последовательно с измерительным фотоприемником 5 соединено сопротивлением 20 нагрузки, второй вывод которого соединен с общим проводом, к коммутатору 13 подключен датчик 21 контроля температуры.