В этой статье речь пойдет о газовом анализе. Факты, собранные здесь, взяты из учебников соответствующих технических дисциплин. Тема серьезная, поэтому следует отнестись к ней с вниманием.
Основы газоанализа.
Газоанализ – определение того, сколько содержится определенного газа в заданной, часто воздушной, среде, а также выявление типа содержащегося в смеси газа.
Определить, какова концентрация газа в помещении, возможно лабораторными методами с использованием колб, пробирочек и реактивов, а можно проще – посредством готового прибора-газоанализатора.
Для обнаружения наличия и выявления уровня количества газа в заданной газовой смеси используются методы, в основе которых лежит отслеживание разнообразных физических характеристик исследуемой среды или сред, где содержатся газы. К числу таких свойств относятся электропроводность, поведение среды при воздействии на нее магнитного поля, тепловой проводимости, оптическая плотность, коэффициент рассеяния и преломления световых потоков, если их направить в среду. Мысль здесь такая – отслеживаем изменения таких состояний среды и по ним можно судить о количестве присутствующего в ней газа или смеси из нескольких газов. Поскольку их концентрация и влияет на такие изменения.
Есть 2 разных метода. Первый – неизбирательный – подразумевает измерение пробы, в которой присутствует все компоненты среды, где измеряемый – это только один из. Естественно, он подходит только для тех смесей, в которых не изменяется содержание никаких компонентов, кроме определяемого и подвергающегося анализу.
Иначе, если меняться будут все компоненты, кроме определяемого, невозможно будет определить, концентрация какого именно компонента повлияла на изменение среды.
Это работает по принципу «меряем все подряд».
Но есть также и метод, называемый «избирательный», где осуществляется целевое измерение конкретного нужного нам компонента.
Методы измерения.
Итак, смотря по тому, какой признак среды, взятый за основу при отслеживании степени концентрации необходимого нам газа, проводимые методы газоанализа подразделяются на следующие:
- Механического свойства,
- Акустической природы,
- Связанные с характером тепловых превращений,
- Проводимые под воздействием магнитного поля,
- Завязанные на оптические свойства,
- В которых измеряется степень «ионизированности»,
- Где задействована масс-спектрометрия,
- На основе электрохимии,
- С привлечением свойств полупроводников
Механические методы.
Среди таких методов выделяют объемно-манометрический метод анализа, когда пробу газа подвергают воздействию химических реагентов и после этого измеряют ее объем или давление и по изменениям судят о концентрации по формулам. К таким воздействиям могут быть причислены абсорбция составляющих газовой смеси соответственными им реагентами в абсорбционных емкостях.
Нижний порог обнаружения газа – от тысячной до сотой процента (0, 001 – 0,01).
Есть метод, который называется пневматическим. Он подразделяется на два вида – аэростатика и аэродинамика. Газовая смесь либо статична, либо динамична.
При статическом измерении проводят анализ плотности среды, при динамическом – концентрация определяется косвенно через изменение двух параметров - вязкости и/или плотности газовых сред при их динамическом взаимодействии во время перекрещивания струй при проведении газовых потоков через отверстия и специальные каналы с заслонками, сужающимися-расширяющимися воздухоходами.
Эти типы методик применяются для анализирования смесей с двумя компонентами и больше, включая смеси, имеющие признаки бинарности, и псевдобинарности.
Справка:
Бинарная смесь – смесь, состоящая строго из двух компонентов. Например, водород в этилене.
Псевдобинарная – смесь, состоящая из более чем двух компонентов, но обладающая параметром, по которому она ведет себя как двухкомпонентная, то есть бинарная, смесь.
Метод хорош для: обнаружения и количественного выявления водорода, например, в воздухе, водорода в этилене, содержания диоксида углерода (углекислого газа) в каком-нибудь другом инертном газе, алкановые углеводороды в водороде и подобных других газах.
Нижний порог чувствительности при использовании именно данного метода – от сотой до десятой процента. 0, 01 – значит в 10 000 раз меньше, чем в 100%, а 0,1 – в 1000.
Акустические методы.
Связаны, как следует из названия, со звуком. Концентрация газа влияет на распространение звуковых волн в диапазоне слышимого и ультра звука (диапазон выше верхней границы слышимого человеком). Методы акустические относятся к неизбирательным, то есть могут просвечивать только весь объем газа, независимо от количества компонентов в нем и используется для выявления метана СН4, кислорода О2, и водорода Н2 во всех типах сред с наличием газовых веществ. Воздушная, кстати, - тоже смесь газов кислорода O2, азота Nв форме двухатомных молекул, диоксида карбона (углерода) и примесей.
Методы теплового анализа.
Измеряется тепловая проводимость – сколько тепла может передать смесь за единицу времени, то есть, насколько быстро нагреть окружающее пространство.
Подразделяется на методику на основе термокондуктометрического анализа и термохимически-компонентный способ анализа. Термокондуктометрия подразумевает расчет тепловой проводимости смеси, в то время как термохимия – какой эффект оказывает излучаемое тепло.
Термокондуктометрический анализ хорош для выявления и обнаружения гелия, диоксида углерода (карбона), водорода, метана как в смесях, подпадающих под определение бинарности, так и в смесях, идентифицируемых в качестве имеющих признаки псевдобинарности. Нижний порог, при котором возможно обнаружение - 0,01-0,1 %.
Метод термохимического анализа позволяет выборочно «отсветить» наличие и сколько количество угарного газа СО, метана, кислорода, водорода, контролировать уровень в воздухе помещений каких-либо наличия примесей, несущих опасность взрыва или пожара (смеси различных углеводородов в газообразном состоянии, паров бензина и подобных агрессивных веществ).
Например, при выявлении наличия и определения количества газового метана, этот газ метан, имеющий формулу CH4, утилизируют посредством сжигания при наличии катализирующего агента (в качестве такового выступает платина Pt или палладий Pd или они оба вместе, с подложкой из химически активного оксида алюминия Аl2О3).
Химическое воздействие имеет эффект только на выявляемый компонент и поэтому его можно определить очень точно.
При этом тепло, выделившееся в ходе реакции, и степень высвобождения которого зависит от содержания CH4, посредством термических резисторов, терморезисторов, подвергается переформатированию в сигнал электротока, который и регистрируется. Диапазон нижнего порога в процессе обнаружения - 0,001-0,01 %.
Методы, где используются принципы управления и направленного воздействия магнитным полем.
В методах при использовании эффектов воздействия магнитным полем имеет значение то, как ведет себя «подопытный» газ под воздействием магнитного поля.
Чрезвычайно чувствителен к воздействию магнитного поля, невероятно просто чувствителен, кислород. Вот чаще всего его и определяют при помощи данной эксклюзивной методики. Чувствительность метода находится в диапазоне 0,01-0,1 %.
Методы оптического направления.
В качестве основы выступают различные световые эффекты, которые меняются от того, насколько отличается количество искомого газа.
К таким эффектам относятся: плотность оптическая, коэффициент рефракции, «сила» излучения.
Оптическая плотность – степень поглощения света при пропускании его сквозь среду. При разной концентрации определяемого компонента эта степень будет различной.
Это группа так называемых абсорбционных методов. Абсорбция – поглощение.
В этих методах основным принципом может являться выборочное поглощение какого-то одного определенного спектра излучения светового потока, как в видимом, так и в инфра и ультра-диапазонах, ниже и выше видимых человеческим глазом областей выявляемым рабочим компонентом.
Метод хорош для выявления оксида азота, озона, сероводорода, оксида серы, сильных химических веществ, имеющих токсические свойства, ядовитых паров (ртути и свинца, например).
Существует оптикоакустическая аналитика – при прохождении пульсирующего света через толщу газа с компонентом, на который ведется охота, последний попадает в приемник с другим газом, у которого из-за параметров светового луча, измененного анализируемым газом, изменяется величина давления. Снимают эту величину Pи определяют характер поведения необходимого «ингредиента». Данный метод хорош для обнаружения оксида углерода, диоксида углерода, метана, аммиака NH3, оксида серы и целого ряда органических соединений. Пределы измерения 0,001-0,01 %.
Излучателями «выпускания» и испускания света, выступают привычные лампы с нитями накаливания, спирали из ртути, водорода, ртути с кадмием, из просто кадмия и нихрома (никель-хромовый) сплав.
Существует особый, фотоколориметрический метод, в котором определяют изменение интенсивности окрашивания индикаторными способами (в виде таблетки, порошка или ленты, где проявляется цвет, или в специальном реакторе индикации, где можно выявить цвет), чтобы увидеть в цвете результат реакции определяемого газового компонента со специальным реагентом химическим, в результате чего получается заведомо известное соединение с определенными характеризующими признаками окраски.
Чем выше наличие и присутствие исходного «ингредиента», тем выше будет степень окрашивания получившихся продуктов реакции.
Вот ее можно «считать» и получить представление об исходной концентрации.
Данный вид или подтип измерительного подхода успешно выбирают для особенно выявления целенаправленно оксидов азота, угарного газа, сероуглерода, аммиака, тяжелых токсических соединений органики, нижняя граница диапазона возможности обнаружения при этом методе - от 0,000001 до 0,001 %.
Существует подметод в оптическом направлении – метод эмиссии света. В нем находят степень интенсивности излучения света, которое производят измеряемые компоненты. Испускание световых волн индуцируется, то есть запускается, подводимыми зарядами электроэнергии (пределы измерения 0,0001- 0,1 %), зажиганием пламени, эмиссией световых люмен и некоторыми другими светоиспускающими источниками (лазерными потоками можно находить совершенно «дикие» концентрации в 0,0000001-0,000001 % - это одна десятимиллионная! и до одной стотысячной. То есть, это от одной миллиардной от 100% и до одной десятимиллионной части от 100%. Это поразительная точность измерений с вовлечением новых технологий).
В ходе метода хемилюминесценции проводится оценка того, насколько интенсивно свечение, которое еще называют люминесценцией, возникающего при определенных химических проводимых реакциях. Обычно данный метод используют для выявления и количественной оценки наличия газа озона, а также различных окислов азота. Например, аналитика по NO основана на окислении оного озоном. Нижний предел границы наименьших величин, при которых возможно обнаружить вещество - 0,000001- 0,0001 %.
Методы с оптической направленностью, где используются принципы и закономерности рассеяния света, нашли свое применение по причине успешности развития технологий с использованием лазерных световых потоков особой мощности. Их используют как фотоэлементы, для контроля на расстоянии уровня вредных примесей в атмосфере в помещениях и вне их. Выявляют наличие и сколько присутствует соединений органической природы, окись азота, серы, карбона (углерода). Нижний предел концентрации находится в диапазоне 0,000001-0,1 %.
Метод рефрактометрии задействуется для обнаружения диоксида углерода CO2, метана CH4, паров ацетилена, оксидов серы SO2, и других газов-химикатов как в двухкомпонентных бинарных, так и многокомпонентных смесях.
Существует также метод интерферометрии, относящийся к оптическому направлению, поскольку основывается на явлении, присущем самому световому потоку – интерференции. При изменении количества содержания меняется расположение полос интерференции. Разница при смещении полос определяет концентрацию искомого компонента смеси. Задействуют метод для нахождения в том числе и СО2 и СН4 в составе газов воздуха. Нижний предел чувствительности измерения, то есть величина, при которой возможно обнаружить искомое вещество, – около 0,01 %.
Методы задействования ионизированности составов основываются на "считывании" электропроводимости смесовых газов, приведенных в ионизированное состояние.
Ионизацию проводят при воздействии радиоактивно-излучающего дозированного потока заряженных частиц, электроразрядами, воздействием пламени, ультрафиолетовым облучением, соприкосновением с каталитически-активной хорошо заряженной основательно нагретой поверхностью высокой температурой.
Для справки: методика измерения математического приращения плоскостей и ионизированных участков в газах используется в анализе двухкомпонентных смесей водорода с двухатомным азотом, азота с углекислым газом, а также иногда определенных углеводородных соединений (органических). Нижний диапазон обнаружения элемента-компонента составляет около сотой процента 0,01%.
Метод, когда применяется ионизированность соединений органики в огне пламени горящего водорода, задействуется, когда необходимо определить наличие или присутствие примесей различных органических веществ в двухкомпонентных газовых средах и воздухе. Нижний диапазон измерения составляет 0,00001 %.
В электрохимических методах измеряют поведение систем на основе электролитов. Измеряемый газ входит во взаимодействие с электролитически активным компонентом через электрод, и по получившемуся результату судят о наличии того или иного компонента в газовой смеси.
Есть несколько подвидов:
- Потенциометрический – измеряют потенциал, электрический, который меняется в зависимости от концентраций иона, полученного в результате взаимодействия необходимого нам газа с электролитическим раствором.
- Амперометрический – измеряют ток, который зависит от того, сколько из необходимого нам компонента прореагировало на электроде индикации. Чем больше газа, тем больше его реагирует и тем выше разница в значении силы тока, в амперах. Оттого и амперометрический.
- Кондуктометрический – от английского toconduct – читается "ту ко(э)ндакт" – проводить ток. Измеряют здесь величину электропроводности растворов, где уже поглощен необходимый нам компонент газовой смеси. Смотря по его количеству меняется электропроводность поглотившего его раствора в более сильной или слабой степени.
Электрохимическими методами измеряют содержание наличия кислорода, монооксида углерода, одно- и двухатомного оксидов азота, оксида серы, сероводорода, водорода, алканов, аммиака, озона. Чувствительность по наличию вещества - 0,000001-0,0001 %.
В методах с задействованием свойств полупроводниковых элементов измеряется электрическое сопротивление вещества, являющегося полупроводником, который и взаимодействует с исходным «ингредиентом» смеси, нужным нам. Метод хорош для выявления содержания водорода, метана, пропана, кислорода, оксидов углерода, оксидов азота, соединений, содержащих газы галогеновой группы, и некоторых других видов газовых смесей. Нижний диапазон - 0,00001-%. .
Выделяют и комбинированные оценочные методы. В них проба сначала претерпевает особые манипуляции, а затем проводится оценка. Причем в комбинированных методах могут использоваться различные параметры измеряемой среды.
Хроматография – в основе движение смеси газов, которую нужно подвергнуть количественной оценке по наличию выявляемого газа, с применением сорбирующего элемента, в результате чего она разделяется. Иногда используют газовый «транспортер», протаскивающий искомую газ-смесь сквозь сорбирующую толщу спецагента для этих целей предназначенную, сам оставаясь перед слоем сорбента по причине низкой проходимости. Газовый «транспортер» имеет заведомо более низкую способность быть сорбированным. Поэтому и остается, не проходя сквозь этот слой.
В конечном итоге, потом анализируют газ при помощи специальных детекторов различного свойства и вида.
С помощью хроматографических методов можно проанализировать широкий диапазон различных химических веществ как органической, так и неорганической природы с нижним диапазоном измерений на уровне в 0,0001 и до 0,01 %.
Повысить точность метода можно, если проводить предварительную, перед хроматографией, концентрирование компонента в газовой смеси методами, например, криогенной адсорбцией при очень низких температурах, газы, как известно, замораживаются при низчайших температурах, или методом диффузии. Тогда точность измерения повышается до умопомрачительных величин - 0,0000001-0,000001 %. Это как найти иголку в тысяче стогов сена одновременно.
При методе с добавлениям изотопа в оцениваемую смесь инжектируется, то есть, вводятся обладающие радиационной активностью или изотопы стабилизированные выявляемого вещества, после чего весь этот компонент с изотопом благополучно «вытаскивают». После чего сразу проверяют количество «добавки». Делают это по величине радиационной активности на единицу массы или, если применялись стабильные, нерадиоактивные, изотопы, масс-спектрометрия или спектрометрия изотопного состава.
Подходит данная методика для обнаружения кислорода, двухатомного азота, водорода, углеродных окислов, метана и алкановых соединений углеводородов. Предел нижней границы метода -0,0000001до0,1 %.
Многопараметрический «компьютерный» аналитический подходобсчитывает результаты по оценке сразу нескольких величин – переменных анализируемой среды, в которой находится газ, содержание которого и требуется определить посредством следования в уравнениях взаимосвязям, присущим взаимодействию этих компонентов в смеси. Можно, например, проводить одновременное измерение оптической плотности при разных длинах волн, или степень ионизации при использовании нагретых поверхностей с катализаторами при различных температурах и не только.
Метрологическое обеспечение.
Метрология – наука об измерении. Для того, чтобы можно было доверять показаниям измерительных приборов, и была создана метрология – наука, регламентирующая, что, как, чем и в каком виде должно измеряться, какие параметры должны использоваться, а также стандарты точности и определения достоверности измерений.
Есть место и для газоанализа, конечно. Существует метрологическое регламентирование методов и способов измерения концентрации газов. Для того, чтобы измерение могло быть проведено с необходимой точностью, с абсолютно минимальной погрешностью, которая не повлияет на выводы измерений, а речь ведь идет о безопасности концентраций и наличия вообще бытового газа в помещениях, где установлены котлы (за рекомендациями смотрите соответствующие разделы сайта) необходима четкая методика с описанием того, как и что должно делаться.
Приборы для измерения должны быть сертифицированы, поверены – то есть проведена их точная настройка и подтверждена их способность производить точные измерения. Тогда метрологическая лаборатория может выдать вердикт – вот такой прибор вот с таким методом измерения может применяться для измерения концентрации газов метана и природного газа в помещениях с точностью, гарантирующей надежность и безопасность эксплуатации котлов такого типа в жилых домах.
Приборы проходят аттестацию с использованием эталонных смесей и так называемых образцовых средств измерения, точность которых в десятки раз выше бытовых приборов. Это специализированные приборы, по которым можно проверять другие приборы.
При аттестации используют весь комплекс мер лабораторного выявления и проверок характеристик смесей в газовой среде для количественной оценки и обнаружения выявляемого компонента.
Для этого, а также для классификации всех элементов газовой системы используют всю гамму имеющихся параметров в арсенале у метролога-специалиста: точки замерзания, построение кривых зависимостей – изотерм и адиабат, выявление значений и величин масс присутствующих в смеси «ингредиентов».
Нужно знать про лабораторную эталонную смесьвсеизадатьейнеобходимыесвойства, чтобыпотомзнать, что при изменении свойств вот на столько будет означать, что концентрация такая-то и такая-то.
Помимо аттестации приборов производят аттестацию и газовых смесей, которые используются при аттестации приборов. Это должна быть смесь, имитирующая настоящие условия применения приборов и при этом гарантирующая заданную точность измерения. Используют и хорошо зарекомендовавшие себя методики химанализа, сертифицированные и допущенные к аттестации после сертификации и опробирования с заранеебольшейзаявленнойточностью.
Если подготовить такую смесовую субстанцию с более высоким классом точности, чтобы заранее знать характер поведения ее составляющих элементов для точной количественной оценки, практически не представляется возможным, тогда используют заранее подготовленные смеси, используемые в качестве стандартов – лабораторных образцов.
Но и их тоже проверяют более точнымисмесямина еще более высоком, на высшем, классе точности сиспользованиемлабораторныхметодов,причемпорезультатамисследований по оценкам не одной, а нескольких лабораторий для гарантий результатов сразу.
Такая многоуровневая проверка гарантируют точность измерения прибора, стоящего у Вас дома.
Как видите, процедура газоанализа – дело серьезное. Поэтому, чтобы обеспечить безопасность функционирования котлов в Вашем доме, воспользуйтесь проверенными, сертифицированными газоанализаторами. А выбрать подходящую модель Вам помогут профессионалы из магазине kotel39.com, где Вы сейчас и находитесь.