Система контроля уровня выброса вредных веществ (оксида углерода) на НПС

4.7 Оптические инфракрасные датчики

В основу работы оптического газоанализатора положено свойство селективного поглощения различными газами потока излучения. Обычно измерение селективного поглощения осуществляется в инфракрасной части спектра - в этой области особенно резко проявляется селективность поглощении отдельными газами определенной части инфракрасного излучения пропорционально его объемному содержанию.

Схема содержит источник инфракрасного излучения, поток которого поступает в камеры двух оптических каналов. Оба канала идентичны в конструктивном исполнении, но отличаются по «внутреннему содержанию». Сравнительная камера (левый канал) заполнена чистым воздухом, а через объем рабочей камеры постоянно продувается контролируемая газовая смесь.

Проходя через объем рабочей камеры, поток излучения теряет часть энергии, соответствующую линиям поглощения контролируемого компонента (красный поток) и часть энергии, соответствующую линиям поглощения неизмеряемых компонентов (зеленый поток).

Через сравнительную камеру с чистым воздухом поток излучения проходит без потерь энергии.

Затем оба потока излучения поступают в фильтровальные камеры, которые заполнены неизмеряемыми компонентами газовой смеси и где полностью поглощается энергия, соответствующая их спектру.

Таким образом, в измерительную камеру одновременно поступает два потока излучения, результат вычитания энергий которых пропорционален концентрации определяемого компонента.

Таблица 6

Сигнал, пропорциональный разности давлений в различных моделях может преобразовываться в импульсы давления или микропоток газа, которые преобразуются в электрический сигнал с помощью конденсаторного микрофона или мостовой схемы со встроенными резисторами и поступает в схему индикации.

Рисунок 15 - Схема принципа работы оптического газоанализатора

Инфракрасные датчики не искажают пробу, и им не требуется для работы присутствие кислорода. Выходной сигнал ИК-датчиков в наибольшей степени не зависит от скорости потока пробы. У таких датчиков продолжительный срок службы при отсутствии коррозии, загрязнения или механического повреждения. Этот тип датчиков принципиально позволяет использовать самодиагностику для проверки чувствительности к определяемому компоненту. Другие преимущества метода:

- высокая стабильность;

- отсутствие неоднозначности показаний при концентрациях, превышающих НКПР;

- устойчивость к отравлению;

- менее частое техническое обслуживание благодаря самодиагностике.

Автоматическая градуировка, возможность контроля исправности источника инфракрасного излучения и компенсации загрязнения оптики могут продлить время работы без обслуживания. Однако особое внимание следует уделять своевременной очистке защитных фильтров в газовом канале, поскольку средства самодиагностики обычно не обнаруживают их загрязнения.

Исходя из краткой характеристики датчиков, составим таблицу, где будут рассмотрены основные преимущество и недостатки датчиков. Из всех предоставленных и изученных датчиков приходим к выводу, что для контроля уровня загазованности нам лучшее всего подходит оптические инфракрасные газоанализаторы.

Так как область применения таких датчиков практически не ограничена. Это объясняется тем, что оптические датчики в отличие от термокаталитических, электрохимических или полупроводниковых, не имеют непосредственного контакта между чувствительными элементами и измеряемой средой (загазованной атмосферой). Датчики можно перенастраивать под другой вид газа.

Кроме того, оптические датчики способны работать в широком диапазоне температур (от -60 до +85°С), что позволяет использовать их как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках в составе сигнализаторов и газоанализаторов горючих газов и паров в местах возможного появления метана, пропана или паров нефтепродуктов.

Преимущество оптических газоанализаторов по сравнению с иными типами (электрохимическими, термокаталитическими, олупроводниковыми) заключается и в отсутствии контакта между газовой средой и чувствительными элементами: сквозь газовую пробу проходит лишь луч света, а излучатель и фотоприемник защищены прозрачными окнами из химически стойкого стекла. Поэтому для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества и соединения (хлор, сера, фосфор, фтор, аммиак, окислы азота, тетраэтилсвинец и т.д.), выводящие из строя газоанализаторы, в основе действия которых лежат химические реакции. Не страшны им и концентрационные перегрузки вплоть до 100%-ной концентрации определяемого газа, причем время восстановления после перегрузки определяется только временем обновления содержимого газовой камеры.

Еще одна уникальная особенность оптических газоанализаторов - избирательность. В них, в отличие от других типов приборов, можно полностью исключить реакцию на другие газы, так как спектры поглощения различных газов не совпадают.

К достоинствам оптических газоанализаторов относится также их быстродействие. Если для газовых датчиков, в основе измерения которых лежит химическое взаимодействие с определяемым газом (термокаталитические и электрохимические сенсоры), существует принципиальное ограничение времени измерения, определяемое скоростью протекания химических реакций и составляющее обычно несколько секунд, то для оптических газоанализаторов быстродействие может достигать долей секунды.

4.8 Внедрение оптического инфракрасного газоанализатора для усовершенствования газоаналитической системы

Из представлевленного многообразия датчиков, мы выбрали инфракрасный датчик-газоанализатор ДАК

Газоанализатор ДАК предназначены для непрерывного автоматического измерения довзрывоопасных концентраций метана (СН4), углеводородов, в том числе паров нефти и нефтепродуктов, попутного нефтяного газа, спиртов, а также объемной доли диоксида углерода (СО2).

Область применения газоанализаторов - контроль воздуха рабочей зоны помещений и открытых площадок взрыво- и пожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, других отраслей промышленности, а также работа в составе систем контроля атмосферы опасных производственных объектов.

Тип газоанализаторов - стационарный

Режим работы - непрерывный

Конструктивно газоанализаторы представляют собой одноблочные приборы. Рабочее положение - вертикальное, датчиком вниз

Принцип измерений газоанализаторов - оптико-абсорбционный

Достоинства

1. наличие сертификатов на метан, ацетон, топливо дизельное, толуол, этилен, бензол, метанол, пентан, этан, бутан, гексан, этанол, бензины, пропан, октан, топливо для реактивных двигателей, керосин, нефть;

2. временя работы газоанализаторов без корректировки показаний по ПГС-ГСО - 12 месяцев;

3. возможность выбора измеряемого компонента или суммы компонентов (устанавливается в меню потребителем);

4. метрология по метану или пропану, в не зависимости от контролируемого вещества;

5. обслуживаемая оптика;

6. сменный сенсор;

7. возможность шлейфового соединения с использованием RS485 (для вида взрывозащиты «оболочка»);

8. выбор вида взрывозащиты «оболочка» или «искробезопасная цепь»;

9. наличие модификаций для работы при низких температурах до -60 и для работы при высоких до +80;

10. наличие «сухих контактов» реле позволяет использовать прибор автономно, без применения вторичных блоков;

11. наличие реле «Отказ» позволяет дистанционно контролировать работоспособность прибора;

12. наличие цифровой индикации;

13. наличие световой сигнализации при срабатывании пороговых значений;

14. возможность установки пороговых значений «Порог-1» и «Порог-2» на всем диапазоне измерения;

15. повышенная устойчивость к воздействию неопределяемых компонентов;

16. защита от несанкционированного доступа (использование магнитного стикера);

17. эксплуатация, обслуживание, настройка прибора производится без использования дополнительного оборудования (таблица 8).

Основные технические данные и характеристики газоанализатора

1. Габаритные размеры газоанализаторов, мм, не более: 200х130х300;

2. Масса газоанализатора, кг, не более 4;

3. Диапазон атмосферного давления и давления анализируемой среды,

кПа от 84 до 106,7, мм рт.ст. от 630 до 800;

4. диапазон относительной влажности окружающей среды при температуре 40°С, без конденсации влаги от 20 до 98%;

5. Параметры контактов реле ПОРОГ1, ПОРОГ2, ОТКАЗ:

- для напряжения постоянного тока:

а) допустимое значение напряжения на разомкнутых контактах - не более 30В;

б) допустимое значение тока через замкнутые контакты - не более 1,0А;

- для напряжения переменного тока:

а) допустимое значение напряжения на разомкнутых контактах (действующее значение) - не более 250В;

б) допустимое значение тока через замкнутые контакты - не более 1,0А.

6. Предел допускаемого времени установления показаний ТО-5, с 20;

7. Предел допускаемого времени установления показаний ТО-9 (ТО1), с, 60

8. Газоанализатор ДАК СН 4 устойчив к работе в:

- изменению температуры окружающей среды;

- к изменению атмосферного давления;

- к изменению относительной влажности анализируемой газовой смеси

9. Газоанализатор имеет канал связи с внешними устройствами по интерфейсу RS-485 с протоколом MODBUS RTU.

Таблица 8

Перечень определяемых компонентов

4.9 Устройство и работа газоанализатора

Принцип действия газоанализатора ДАК (рисунок 2.11) - оптико-абсорбционный, основанный на поглощении ИК-излучения анализируемым газом. Степень поглощения ИК-излучения зависит от содержания анализируемого компонента в газовой смеси. Для каждого газа существует своя область поглощения ИК-излучения, что обусловливает высокую степень избирательности этого метода.

Прошедшее модуляцию ИК - излучения от инфракрасной лампы датчика проходит слой анализируемой пробы, отражается от зеркала датчика, повторно проходит через слой анализируемой среды и попадает в двухканальный пироэлектрический приемник. Один канал приемника обладает чувствительностью к определяемому компоненту (рабочий канал), второй канал не обладает чувствительность к определяемому компоненту (опорный канал).

Сигналы с рабочего и опорного канала приемника преобразуются с помощью аналого-цифрового преобразователя контроллера датчика в цифровую форму. Далее из сигналов приемника с помощью полосовых цифровых фильтров выделяются сигналы на частоте модуляции и удаляются шумы, сигналы выпрямляются с помощью фазонезависимого выпрямителя и с помощью цифрового фильтра низкой частоты выделяется постоянная составляющая сигналов. Разность полученных сигналов является мерой содержания определяемого компонента в анализируемой пробе. Затем в полученное значение разности вводится поправка от влияния температуры окружающей среды и приводится линеаризация номинальной статической характеристики преобразования датчика с получением значения измеренной концентрации определяемого компонента в анализируемой пробе в % НКПР или % объемной доли.

Значение измеренной концентрации преобразуется в сигнал интерфейса UART и поступает в микроконтроллер платы связи, индикации и управления газоанализатора.

Микроконтроллер платы выполняет следующие функции:

1. Формирует управляющий сигнал на включение/отключение реле Порог-1, Порог-2 в случае превышения содержания концентрации газовой смеси установленных пороговых значений;

2. Выводит измеренное значение содержания определяемого компонента на цифровой индикатор;

3. Выдает сигнал на преобразователь напряжение-ток для формирования выходного сигнала тока 4-20 мА;

4. Выдает по запросу ВУ информацию по интерфейсу RS485.

Рисунок 16 - Датчик - газоанализатор ДАК CH-4

1. крышка; 2. оболочка; 3. блок оптический; 4. кронштейн; 5. табличка; 6. колпачок; 7. кабельный ввод; 8. разъем для подключения пульта контроля; 9. местоположение пломб; 10. кольцо прижимное; 11. болт; 12. болт; 13. фланец; 14. втулка; 15. фланец; 16. изолятор проходной; 17. шпильки.

Заключение

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. -- М.: Мир, 1989.-- 196 стр.: ил. Гостев В.И. Системы управления с цифровыми регуляторами: Справочник. К.: Техника, 1990. --280 с.

2. Проектирование систем автоматизации и технологических процессов, Справочное пособие. М. Энергоатомиздат 1990, Ред. А.С. Клюев

3. Рудзит Я.А., Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. М. 1991.

4. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений. Учебник. - М.: Академия, 2003. - С. 164-180, 202.

5. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация. М. 2004.

6. Фрайден Дж. Мир электроники. Современные датчики. Справочник. - М.: Техносфера, 2005. - С. 284, 287, 347, 356.

7. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. Пер. с франц. - М.: Мир, 1992 - 424 с.

8. Г. Виглеб. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989

9. Швандар В.А., Панов В.П., Купряков Е.М. и др. Стандартизация и управление качеством продукции. М. 1999

Размещено на Allbest.ru