4.4 Автоматизовані прилади контролю атмосферного повітря

При контролі промислових викидів найбільш раціональним є безперервне визначення концентрації забруднюючих речовин.

Це дозволяє мати постійну інформацію про їхній зміст і при потребі змінювати параметри до технологічного процесу. Широкі поширення знайшли прилади, вмонтовані безпосередньо в димоходах або такі, що є частиною очисного приладу.

Для визначення запиленості вихідних газів часто використовуються оптичні прилади. Вони володіють рядом переваг: експресністю, можливістю проведення безперервного контролю в широкому діапазоні концентрацій, високою чутливістю. До недоліків можна віднести необхідність захисту оптики від забруднень або введенні відповідної кореляції в результаті вимірів. Вплив дисперсного складу пилу вимагає вимірювання дисперсності і введення поправочного коефіцієнта.

Безперервний контроль концентрацій пилу у вихідних газах підприємств, що виготовляють порошкові синтетичні миючі засоби, проводять за допомогою приладу автоматичного контролю ІВА-1, розробленого Інститутом газу НАН України. В основі його лежить метод світлорозсіювання. Прилад має лінійну залежність інтенсивності розсіяного світла від концентрації пилу до 30 мг/м³. Швидкість контрольованого пилогазового потоку досягалє 12м/с, температура – до +70 ºC, вологість – до 80%, температура навколишнього середовища - від +5 до +35ºC. Прилад складається з трьох блоків: первинного вимірювального перетворювача, який знаходиться безпосередньо у газоході, електричного і блоку живлення, що встановлюються на спільному пульті керування на відстані 100 м від первинного вимірювального перетворювача. Для безперервного запису результатів вимірів передбачене підключення пристрою, що реєструє, до виходу електронного блоку.

Конструктивно первинний перетворювач виконаний у вигляді окремих блоків освітлювача й фотоприймача. Оптичні деталі захищені від влучення пилу стеклами, на поверхнях яких, нанесене кремнійорганічне покриття, що охороняє їх від конденсації води. Джерелом світла є малогабаритна лампа накалювання КІМ 6,6-65.

Прилад ІВА-2 призначений для виміру концентрації пилу у вихлопних газоходах, у яких світлове тло або відсутнє, або зберігається постійним. Це дозволяє спростити оптичну схему пиломіра й у такий спосіб полегшити налагодження й експлуатацію, зменшити вплив вібрацій газоходу, полегшити настроювання приладу після заміни в ньому деталей.

Первинний вимірювальний перетворювач приладу, що також складається з освітлювача (середня частина приладу) і фотоприймача (у кожусі), кріпиться у вихлопній трубі на відстані не меншим чим п'ять діаметрів труби від її вигину або місця установки очисного устаткування, перегородок, регуляторів і ін. Оптичні деталі освітлювача й фото приймача, що перебувають усередині вихлопної труби, захищені від запилення насадкою з полезахисними перегородками. Для виключення впливу тла використовуються світлові вловлювачі. Відстань між первинним вимірювальним перетворювачем і іншими блоками не перевищує 40 м. Прилад успішно використовується для контролю тимчасової мінливості концентрації цементного пилу в діапазоні від 10 до 500 мг/м³ при температурі навколишнього середовища від 15°С до 35°С з основною наведеною погрішністю виміру від верхньої межі ±15%.

Для експлуатації при зміні температури навколишнього середовища від -30°С до + 35°С може бути використаний прилад ВЕРБА-П. Щоб виключити вплив температури, а також підвищити чутливість, у блоці фотоприймача приладу є термостабілізація. У приладі здійснюється захист від зовнішнього світлового фону й від промислових перешкод.

Метод безперервного фотометричного контролю концентрації пилу (<150 мг/м3) у конверторних газах, що пройшли послідовне очищення в трубі Вентури й мокрому трубчастому електрофільтрі, розроблений у Німеччині. Частина газу за рахунок перепаду тиску відбирається з димоходу й надходить в обвідний канал, де підігрівається до 100°С для видалення пар води, проходить через вимірювальну камеру й викидається назад у димохід. Вимір концентрації пилу здійснюється автоматичним фотоелектричним приладом, змонтованим на кінці оглядового каналу вивідного трубопроводу. Два швидкодіючих клапана можуть перекривати оглядовий клапан і захищати оптичну систему від забруднення. У зв'язку з періодичністю роботи конвертора сигналом до включення й відключення приладу є падіння тиску в газовій системі.

Прилад фіксує початок і кінець процесу дуття й проводить безперервну, за допомогою самописа, реєстрацію коефіцієнта екстинкції викидних газів. Оскільки самопис не реєструє абсолютні величини концентрацій пилу в газах до приладу додається калібрований графік, що дає можливість по коефіцієнту екстинкції визначати концентрацію пилу.

Визначення концентрації золистих частин у продуктах згорання котлоагрегатів, що спалюють мазут, можливо за допомогою вимірника концентрації золистих часток (ІКСІ), розробленого УралРТІ й CKБ РГІ. Прилад може бути використаний для контролю й регулювання процесу горіння газомазутних котлоагрегатів в якості первинного перетворювача. Принцип дії ІКСІ заснований на вимірюванні повного ослаблення променистої енергії продуктами згорання мазуту в ближній інфрачервоній області спектра (1,4-2,3 мкм). Границі виміру концентрації золистих часток 0-0,5 г/нм3. Основна наведена похибка виміру (розрахункова) ±6%. Прилад включає аеродинамічну частину, блок джерела світла, блок приймача.

Тбіліським ВАТ "Аналітприлад" випускається димомір, призначений для контролю спалювання палива в топках парових казанів типу ДМП-205м. В основу роботи приладу покладений принцип виміру пульсації оптичної щільності диму з основною наведеною похибкою ±25%. Димомір, укомплектований самописом типу КСУ-4 призначений для використання ТЕЦ і ГРЕС.

Інститутом "'НІПІчерметенергоочищення" розроблений контактно- електричний пиломір ПК-4. Прилад забезпечує одержання миттєвих значень запиленості технологічних газів металургійних виробництв у широкому діапазоні концентрацій і неперервну реєстрацію отриманої інформації. Рекомендується для контролю технологічних газів агрегатів зі стабільним процесом пилоутворення (дисперсну й мінералогічну сполуку мають невеликі коливання).

Прилад складається з виносного блоку, блоку підготовки стисненого повітря й автоматичного самописного нонамперметра КСВП4. Діапазон виміру 0-50 г/нм3 . Основна погрішність ±25% при коливаннях мінералогічної сполуки й питомої поверхні пилу не більше 5%. Виробництво приладу організоване з 1978 р.

Прилади контролю газових викидів

У сьогодення Смоленським ВАТ "Аналітприлад" серійно випускається ряд газоаналітичних систем контролю концентрації забруднюючих речовин вихідних у газів, що йдуть. Автоматична система типу АСГА-К призначена для виміру об'ємних концентрацій окису й двоокису вуглецю, водню й кисню в конверторних газах, реєстрації й передачі сигналів. Система включає оптико-акустичний перетворювач для виміру CO і CO₂, термокондуметричний перетворювач О₂, пристрій підготовки. Використовується в автоматичних системах керування конверсійною плавкою. Основна припустима наведена погрішність по вихідним сигналам на ЕОМ: для кисню, двоокису вуглецю окису вуглецю (у діапазоні 0-100% по об'єму) - не більше 1%, водню й окису вуглецю (у діапазоні 0-10% по об'єму) - не більше 1,5%.

Газоаналітична система типу АСГА-Д призначена для заміру об'ємних концентрацій окису вуглецю, двоокису вуглецю.

В якості реєструвального приладу в двох моделях застосовується однолінійний самопис магнітоелектричної системи, що має розміри 182×280мм.

Фірма Hartmann und Braun (ФРН) уперше випустила прилади для виміру NO, NO₂, Cl₂, H₂S , що розміщують у вихідному газі. Для виміру використовується зміна внутрішнього опору елемента, що містить допоміжний розчин для поглинання забрудненого газу. Вимірювальний і еталонний елементи розділені діафрагмою. Струм пропорційний концентрації.

Для визначення горючих газів призначений прилад Ex-Alarm ED, що випускає фірма Auer. Принцип роботи приладу заснований на вимірі збільшення температури на електроспіралях (термометр опору),яким завжди супроводжується процес каталітичного спалювання горючих компонентів у вихідних газах.

Фірма Siemens виготовляє прилади для визначення задимленості по поглинанню світла. Робочий шлях променя до кремнієвого фотоелемента може сягати 10 м.

Фірмою Atomie Energy Research Establishment(Англія) випускається лазерний локатор Lidon на рубіні. Відображення від диму або пару фіксується телескопами з вузькосмугастим інтерференційним фільтром і попадає на електронний помножувач. Концентрація часток вимірюється розмахом імпульсу на екрані осцилоскопа.

Лазерні промені застосовуються для виміру обраного розсіювання часток, які викидаються з димових труб. Безперервний контроль забруднювачів у вихідних газах за допомогою мікрохвильової електроскопії можливий, але це дорого і важко.

Прилади контролю фірми Horiba

Фірма випускає газоаналізатори для контролю вмісту в атмосферному повітрі основних забруднювачів (з'єднань сірки, окислів азоту, вуглеводнів, окису вуглецю). Можливість автоматизованого керування роботою приладів і передачі даних на відстань дозволяє використовувати їх як автономно, так і в складі контрольно-вимірювальних станцій, що входять в автоматизовані системи контролю забруднення навколишнього середовища.

Хемілюмінесцентний аналізатор типу АРНА-2000 забезпечує проведення безперервних вимірів концентрації окислів азоту (NO, NO₂, NO_x) в атмосфері з високою чутливістю в діапазонах 0-0,1; 0-0,2; 0-0,5 ррm. Цей метод аналізу, що отримав широке поширення за рубежем, заснований на реакції окислювання молекул NO_x озоном і утворенні збуджених станів молекул NO₂*, при переході яких в основний стан випускається люмінесцентне випромінювання (в області спектра 0,6-3,8 мкм )перетворюване далі в електричний сигнал.

Полум'яно-фотометричний аналізатор типу APNA-2000 призначений для безперервного визначення концентрації сірчистих з'єднань у повітрі в діапазоні 0-0,2; 0-0,3, 0-0,5; 0-1,0 ррm. Принцип дії приладу полягає в наступному. У водневому полум'ї відбувається відновлення сірчистих сполук до атомарної сірки, утворюються молекули сірки, частина з яких перебуває у збудженому стані. При переході цих молекул у стаціонарний стан випускається випромінювання в спектральній області 350-450 нм, інтенсивність якої пропорційна квадрату концентрації атомів сірки в аналізованому газі. Вихідний електричний сигнал аналізатора пропорційний концентрації сірчистих з'єднань в аналізованій пробі. Чутливість приладу 0,005 ррm.

Полум'яно-іонізаційний аналізатор типу АРНА-2000 дозволяє безупинно визначати вміст вуглеводнів, метану й не метанових вуглеводнів у повітрі в діапазонах концентрацій 0-5; 0-10; 0-25 ррm по вуглеводню. Особливістю приладу є наявність відсікала метану (модель NMC), що представляє собою піч з окисленим каталізатором, що працює в діапазоні температур 250-320ºC. Забезпечується практично повне (99%) окислення всіх вуглеводнів, крім метану. Концентрація не метанових вуглеводнів визначається шляхом вирахування змісту метану із загального вмісту вуглеводнів.

Оптимальні параметри роботи відсікала досягаються при швидкості потоку проби 3 л/хв (максимальна швидкість потоку 5 л/хв, мінімальна - 1 л/хв), концентрації водяних пар, не перевищуючої -1,5%, і температурі печі 250°С. В якості каліброваного газу у відсікалі застосований метан у повітрі. Нульовим газом служать чисті вуглеводні без домішки повітря або озону. Тому що на ефективність каталізатора й на точність виміру вмісту метану впливає концентрація водяної пари, але важливо підтримувати постійну концентрацію водяної пари у зразку, нульовому й каліброваному газах.

Оптимальні концентрації водяних пар в різних модифікаціях відсікала підтримуються шляхом закачування водню у відсікало (модель NMC-11) або попереднім прокачуванням нульового і каліброваного газів через воду (модель NMC-12). Відсікало забезпечує безперервний пробовідбір. Він може використовуватися з полум'яно-іонізаційним датчиком для безперервного і разового аналізу вмісту метану, як в атмосфері, так і у вихлопних газах. Точність аналізу - у межах ±1% виміряної концентрації метану у діапазоні вимірів 1-2000 ррm С і відповідає точності хроматографічного методу.

При концентрації вуглеводнів понад 100 ррm використовується блок із двох відсікал. Термін дії каталізатора 3-12 місяців.

Високоочищений водень для створення водневого полум'я в приладі типу APHA-2000 виробляється за допомогою генератора водню типу OPGU-70, принцип дії якого базується на методі електролізу води. Зібраний на катоді водень очищається за допомогою мембрани зі сплаву палладію, а кисень, зібраний на аноді і розбавлений до безпечного рівня,разом з неочищеним воднем випускається в атмосферу.

Недисперсійний інфрачервоний аналізатор типу APMA –2000 необхідний для безперервного вимірювання у повітрі малих концентрацій окису вуглецю в діапазоні 0-10;0-20;0-50 або 0-20;0-50;0-100 ppm.

Конструктивно газоаналізатори виконані у вигляді блоку, що об'єднує пробовідбірний пристрій, генератор стандартного газу, аналізатор, електричні пристрої та самописець. Вироблений вмонтованим генератором концентрований стандартний (еталонний) газ розбавляється до необхідної для калібрування приладу концентрації нульовим газом. Як нульовий газ використовується очищене від домішок атмосферне повітря, так що відпадає необхідність у спеціальному балоні з нульовим газом. Очищення повітря каталітичне.

Калібрування шкали (один раз у добу) і коректування нуля проводяться автоматично. Дрейфи шкали й нуля для приладів цієї серії становлять ± 2% всієї шкали за добу.

Шеститочковий самописець реєструє миттєві й середньочасові значення концентрації забруднюючих речовин.

Можливість автоматизованого керування приладом, збором і передачею даних дозволяє використовувати ці газоаналізатори в системі контролю забруднення навколишнього середовища.

Для контролю забруднення повітря димовими газами фірма випускає аналізатори типу SO₂ (ESDA-213) і окислів азоту типу NO_x (ENOA-212), у яких використовується принцип недисперсійного інфрачервоного поглинання. Діапазони вимірювані концентрації 0-200, 0-500-1000, 0-1000-2000 ppm . Всі блоки приладів, необхідні для проведення аналізу, розташовані в загальному корпусі.

Недисперсійний інфрачервоний метод заснований на здатності різних речовин поглинати ІЧ-промені певних довжин хвиль, причому ступінь поглинання пропорційна концентрації газу. За допомогою детектора, чутливого до певної довжини хвилі ІЧ-випромінювання, виробляються безперервні виміри концентрації досліджуваного газу.

Використання в приладах твердого фільтра й системи двох детекторів дозволило в значного ступеня усунути вплив деяких компонентів (CO₂, Н₂О і ін.) і забезпечити селективність аналізу. Калібрування приладів виробляється автоматично один раз на добу. Можлива автоматична робота приладів без участі оператора, по команді із центральної станції.

За повідомленням представників фірми, передбачається подальше вдосконалювання аналізаторів заснованих на не дисперсійному інфрачервоному поглинанні. Ці прилади більше розповсюджені ніж полум'яно-іонізаційні й хемілюмінесцентні , але уступають їм по чутливості й не дозволяють проводити, багатоелементний аналіз. Для усунення недоліків фірма пропонує оптичну схему, в якій використовується твердий детектор з багатошаровим інтерференційним фільтром. Послідовна сполука ряду детекторів дозволяє одночасно визначати вміст декількох елементів. Довжина еталонної (порівняльної) осередки може бути збільшена в порівнянні зі звичайно застосовуваними осередками за рахунок відображаючих дзеркал. Цим досягається більш висока чутливість . Фірмою ведеться розробка ІЧ-анализаторів такого типу.

Для визначення вмісту сірки в сирій нафті, нафтопродуктах, хімікатах, мастівних і паливних маслах, асфальті, вугіллі, коксі, в атмосферній пилюці призначений рентгенівський флуоресцентний аналізатор типу SLFA-200. При опромінюванні зразка рентгенівським низько енергетичним пучком ( енергія 4.5 кеВ) елементарна сірка , що міститься у пробі , випромінює флуоресцентне рентгенівське проміння, інтенсивність якого пропорційна концентрації сірки у пробі. Прилад працює по двоканальній схемі порівняння прикладу з еталоном. Порівнюючи з еталоном, виключаються похибки, пов'язані з нестабільністю температури, напруги, випромінювання джерела. Калібрування приладу автоматичне. Прилад має цифровий індикатор. Діапазон виміру концентрації 0,003-9,999 вагових відсотків сірки. Результати вимірювання можуть виводитися на друк.

Фірма Horiba випускає контрольно-вимірювальні станції типу APSM-500 ,що дозволяють визначати вміст в атмосфері CO,CH,SO₂,HO_x,O₃ і пилу , а також проводити метеорологічні спостереження. Всі вимірювальні прилади компактно встановлюються на стійкому контейнері і мають вихід у систему відео вимірів. Аналізатори мають декілька діапазонів вимірювання. Крім того при наявності ЕОМ в систему відео вимірювання передається попередньо перероблена інформація. Технічні характеристики і склад станції APSM-500 наведені у табл.. 4.5.

У зв'язку з великим забрудненням навколишнього середовища вихлопними газами автомобілів багато закордонних фірм, у тому числі й Horiba, випускають аналізатори вихлопних газів авто – від переносних портативних приладів до комплексних систем аналізу.

Таблиця 4.5

Тип аналізатора	Речовини, що аналізуються й вимірювальні параметри	Діапазон вимірювання
APMA-SOO	CO	0-50, 0-100 ррm
APНА-500	Загальний вміст вуглеводнів	0-10, 0-25, 0-50 ррm
APNA-C500	NOx	0-0.5, 0-1, 0-2 ррm
АРOA-C500	O3	0-0,5, 0- 1,0-2 ррm
СR-3C-2	SO2	0-0,2, 0-05,0-1 ррm
СR-3C-2	Пил	0-1,0-5, 0-40 мг/м3
А-157Е	Напрямок вітру Швидкість вітру Температура Відносна вологість	16 румбів (у середньому) 0,5-20 м/с (у середньому) від -20 до +40°С 0-100%

По концентрації визначають відношення кількості повітря і палива: відповідає відношенню кількостей повітря і палива 10-25 наведені основні технічні характеристики переносних і пересувних не дисперсійних інфрачервоних аналізаторів вихлопних газів різного призначення: для контролю складу вихлопних газів автомобільних двигунів, для перевірки автомобілів на станціях технічного контролю з індикацією результатів перевірки (модель МЕХА-118А), для дослідження роботи двигунів з рециркуляцією (модель МЕХА-1100ЕGR), для безперервного виміру відношення кількості повітря й палива в циліндрах двигунів (модель - МЕХА -1100AFM).

Фірма Horiba виготовляє системи контролю вихлопних газів автомобілів серій 8000. Система 8400 з цієї серії призначена для одночасного й безперервного визначення вмісту СО, вуглеводнів, NO ,NO₂ і O₂ у вихлопних газах автомобілів. Вона може бути обладнана 14 аналізаторами різного типу, а також 10 недисперсійними інфрачервоними аналізаторами для визначення вмісту CO,CO₂,NO_x і вуглеводнів, двома полум'яно-іонізаційними аналізаторами для визначення загального змісту вуглеводнів, двома хемілюмінесцентними аналізаторами для визначення вмісту окислів азоту й додатково аналізатором кисню. Є вихід на ЕОМ. Система контролю вихлопних газів управляється убудованим мікропроцесором фірми Texas Instruments.

Для забезпечення високих метрологічних характеристик газоаналізаторів, створення засобів градуювання й перевірки приладів фірма пропонує різні генератори стандартних газів, витратоміри, очисники газів.